轻量化是装备未来发展的必然趋势，尤其对于车辆装备来说，轻量化预示着低油耗、长航程、高机动性和高有效载荷。因此，轻质高强，易加工成形合金是实现装备轻量化的基础和关键，一直备受关注。高熵合金是一种基于新型设计理念的工程材料，可以同时具有高硬度、高强度、良好的抗氧化性、耐蚀性等特性，具有广泛的潜在工业应用前景。就轻质高熵合金在车辆装备中的应用前景和应用领域等进行了分析，为促进车辆装备尤其是军用车辆装备的技术升级，满足未来作战需求提供理论与技术支持。
关键词：轻质高熵合金；车辆装备；轻量化
随着社会和科技的不断发展，从日常出行用的小轿车，到城际间运行的高速列车，再到目前已列装部队的99A主战坦克以及各式步战车，车辆装备在国民经济和城市建设的发展，以及国防安全中所扮演的角色越来越重要。车辆装备行业已是国民经济的支柱产业。同时，人们对生活舒适性追求的不断提升，地球资源的枯竭以及环保压力的不断增大使得轻量化是未来车辆装备发展的必然。
1 车辆装备轻量化
车辆装备轻量化效应主要体现在以下几个方面：
（1）节能效果显著 据统计，2019年全国汽车保有量达2.6亿辆，见图1。如果每辆车减轻1 kg且运行10 000 km的话可以节省汽油1.82亿L，节能效果非常显著。
（2）环保效益突出 有研究表明，每辆汽车重减少50%，CO2排放减少13%。如果美国的汽车减重25%，每天将节油75万桶，全年减少排放量1.01亿t。（2012年数据）。
图1 2013-2019年中国机动车和汽车保有量变化趋势图
（3）提高装备续航里程 若汽车整车整备质量降低10%，燃油经济性可提高6%~8%。中型纯电动车整备质量降低10%，其续驶里程可以提高13.7%。孙逢春院士在其研究项目中证明纯电动车整备质量降低10%，续驶里程可以增加5%~6%。
（4）提升车辆舒适性和安全性 相关研究表明，汽车质量每减少10%，加速时间减少约8%，制动距离减少约5%，疲劳失效减少约50%。美国铝业协会提出如使用铝合金车轮，车辆震动会变小，使汽车行驶更稳定。采用铝合金减重后乘客空间变大，在受冲击时铝合金结构能吸收分散更多的能量；因而更具舒适性和安全性。
对于军用车辆装备，除上述的效应外，轻量化还有如下优势：
（1）车辆装备的作战半径的扩大 轻量化后，民用车辆的续航里程可以提高，对于军用车辆装备来说即预示着其作战半径的增大。
（2）有效作战载荷的增大 军用车辆装备轻量化后可以装载更多的弹药、更多的武器装备和有生作战力量，也预示着作战效能的增强。
（3）战场生存能力增强 这个主要体现在两方面，一是轻量化可以提升军用车辆装备的机动性，增强生存能力；二是轻量化可以减少车辆装备的振动噪音，降低被敌方探测装备发现的几率，提升生存能力。以汽车为例，如果质量减轻25%，就可使汽车加速到60 km/h速度的时间由10 s减少到6 s，大幅提高其机动性。此外如减轻发动机连杆质量可以减少发动机振动和惯性力。同时，连杆的轻量化允许与其相关零件（如曲轴、轴承等）减轻质量，并可省去为减少噪音和振动所加的平衡质量，这些轻量化措施可以改善发动机灵敏度的响应性。
实现车辆装备轻量化的途径主要有两种，一是进行轻量化设计；二是选用轻质材料。轻量化设计即是对车辆装备进行结构优化设计，但这种方法已经接近极限。研发和使用轻质材料是目前车辆装备轻量化的主导方向之一，大致有以下几个方面：
（1）以塑代钢 利用具有较好的力学性能的塑料实现以塑代钢，达到减重目的。如目前轿车的保险杠、仪表板、顶棚、座椅、塑料覆盖件等都为塑料制品。
（2）轻质合金 大量使用铝、镁合金等轻质合金实现减重目的。铝合金及其加工材具有密度小、比强度和比刚度高、弹性好、抗冲击性能好、耐蚀性、耐磨、高导电、高导热、良好的加工成型性和高的回收再生性等特性，是目前车辆装备轻量化的首选轻质合金。目前，铝合金材料大量用于汽车工业，如重卡发动机缸体、发动机散热器、变速箱、传动器壳体、离合器壳体、空调冷凝器、车轮、把手及罩盖壳体类零件都为铝合金。军用车辆装备中，两栖装甲车、空降步战车以及导弹快艇等都使用了大量铝合金。
（3）高强钢 采用高强钢代替普钢、铸铁件实现减重目的。如采用高强钢制成的传动轴比传统用钢制成的传动轴可减重约10%。高强钢主要用在汽车车身、底盘、悬架以及转向系零部件上。近年来，无间隙原子钢、烘焙硬化钢、相变诱发塑性钢以及双相钢在汽车底盘、车身及悬架的应用逐年增加。
上述材料的采用不但有助于实现车辆装备的轻量化，在提升车辆装备安全性、寿命、机动性等方面也发挥了重要作用，表1和表2分别为部分国家车企轻量化材料应用进展以及部分车企轻量化材料的未来布局重点。不过，人们对车辆装备性能的要求不断提升，车辆装备各项性能的提升也反过来对车辆装备各零部件性能提出更高、更严格的要求。对于军用车辆装备而言，日益严苛的战争环境对其材料性能的要求也日益提高。工程塑料虽然在很多方面都实现了以塑代钢，但其具有成本比较高，而且不耐高温和严寒等缺点，在主结构方面不可能替代金属材料。铝合金虽然是目前车辆装备轻量化的首选材料，但其可焊接性差，不能满足构件对强韧性的要求，疲劳寿命也比较低。全铝发动机在比功率、刚度和高温强度方面不如蠕铁发动机。因此，研发高强度，轻质合金是未来车辆装备轻量化材料的优先发展方向之一。
2 轻质高熵合金及其研究现状
2.1 高熵合金及其性能特点
根据高熵合金的定义，高熵合金需要满足如下两个条件：①合金含有5个及以上的主要元素；②每个主要元素的含量在5%~35%之间。高熵合金突破了传统的基于“焓”的合金设计理念，混合熵远高于传统合金，具有4大效应：热力学上的高熵效应、动力学上的迟滞扩散效应、结构上的晶格畸变效应和性能上的“鸡尾酒”效应。这使得HEAs易形成简单的面心立方(FCC)或体心立方(BCC)固溶体、易形成纳米级析出物，具有高强度、高硬度以及优异的热稳定性、耐腐蚀性和耐磨性等特性。高熵合金的定义，经过这么多年的发展，目前一般认为，混合熵大于1.5R，具有3种以上主要元素即可称为高熵合金。
2.2 轻质高熵合金及其研究现状
轻质高熵合金(LWHEA)是以Al、Mg、Li、Ti、B、V、Be等为主元的一类高熵合金。目前，关于轻质高熵合金的划分主要有3种观点：一是密度低于3 g/cm3的高熵合金被认为是轻质高熵合金；二是密度低于钛合金；三是合金密度低于7 g/cm3 即可被认为是轻质高熵合金。由于根据高熵合金定义特点，满足密度低于3 g/cm3的高熵合金比较稀少，支持第3种观点的人相对较多。由于轻质高熵合金具有高强度、高耐磨性、耐蚀性、耐高温等优异的综合性能，同时兼具密度低的特点，非常契合未来车辆装备轻量化对材料的需求，因此是最受关注的一类高熵合金，许多研究者对不同系列的轻质高熵合金进行了研究，如CHUANG M H等研究了AlxCo1.5CrFeNi1.5Tiy系列高熵合金的耐磨性能，结果发现，合金的硬度与耐磨钢SUJ2和SKH51相当，耐磨性至少两倍于传统的耐磨钢SUJ2和SKH51。Li等采用感应熔炼法制备的Mgx(MnAlZnCu)100-x（x为摩尔分数，分别为20%、33%、43%、45.6%和50%）新型轻质合金，根据镁的组成比例，密度在2.20~4.29 g/cm3范围内，室温下具有高硬度(HV 178~429)，高抗压强度(400~500 MPa)特点。YOUSSEF K M等用机械合金化法制备了一种新型Al20Li20Mg10Sc20Ti30高熵合金，密度为2.67 g/cm3，晶粒尺寸为12 nm，硬度为6.1 GPa，强度为纳米Al晶体的2~3倍，甚至比金属玻璃VIT1的强度还要高。STEPANOV N D等研究了AlxNbTiVZr(x=0、0.5、1、1.5) 合金的力学性能，结果发现，Al含量增加导致合金密度从NbTiVZr的6.49 g/cm3逐渐降低到Al1.5NbTiVZr的5.55 g/cm3。随着Al含量的增加，AlxNbTiVZr合金的显微硬度也相应增加，NbTiVZr合金的显微硬度(HV)为379，Al1.5NbTiVZr合金的显微硬度(HV)为619。TSENG K等研究了一种轻质高熵合金Al20Be20Fe20Si15Ti35，合金主要由与Fe2Ti相和MgZn2相类似的六方晶型Laves相和两个小晶型的Al2 (Ti, Fe)、Si3Ti5型结构相组成，合金硬度(HV)高达911，高于石英。合金的密度为3.91 g/cm3，且在700、900 ℃时，合金均表现出良好的抗高温氧化性能，性能优于Ti-6Al-4V合金，因此，该合金可以用于轻质、耐磨及耐高温的需求
2012年，HEMPHILL M A等研究了Al0.5CoCrCuFeNi 高熵合金的抗疲劳性能。对比其他合金，高熵合金具有较好的疲劳性能，合金在较高的应力状态下都具有较长的疲劳寿命。高熵合金的条件疲劳极限在540~945 MPa之间，并且条件疲劳极限与拉伸断裂强度的比值在0.402~0.703，与钢铁、Ti合金及非晶合金的疲劳性能相当。因此，高熵合金具有潜在的应用前景。
3 轻质高熵合金在车辆装备中的应用前景
未来，随着轻质高熵合金研究的不断深入，以及工程化制备技术的不断成熟，轻质高熵合金可以作为车辆装备轻量化的重要支撑材料在以下几个方面具有广泛的应用前景：
（1）作为新型高端金属结构材料 替代目前的轿车结构板、动力系统及轴承用钢材，座椅骨架高强钢，以及作为凸轮轴、曲轴、变速箱齿毂等零部件材料，发挥其质量轻、强度高优势，在实现车辆装备轻量化的同时，提高车辆装备整体强度和安全性。
（2）作为新型轻合金材料 替代目前的铝合金材料、涡轮发动机叶轮材料，以及铝镁硅（铜）合金车身板材料。目前，许多研发的轻质高熵合金虽然密度比铝合金密度大，但其在各方面性能都可以比铝合金高，可以充分发挥其综合性能优势替代铝合金，实现车辆装备的轻量化目标。
（3）作为发动机缸体材料 发动机是车辆装备的心脏，其性能的高低对车辆装备性能，包括军用车辆装备的作战效能以及生存能力都有至关重要的影响。目前发动机缸体主要有铸铁缸体和铝合金缸体两种。铸铁缸体质量太重，而铝合金缸体发动机的比功率比较小，刚度和高温强度方面也不如铸铁缸体发动机。未来，以轻质高熵合金为发动机缸体材料可以弥补这两种发动机的缺陷，在实现发动机轻量化的同时，提升发动机比功率，进而提升车辆装备的机动性能和复杂环境下的生存能力。
（4）作为车辆装备关重件再制造材料 车辆装备的再制造延寿是有效发挥其效能的重要保障和活动内容，具有重要的经济价值和环保效益。尤其是军用车辆装备，再制造延寿是保障和恢复其战斗力的重要手段。未来，可以采用轻质高熵合金对老旧车辆装备进行再制造修复，提升其性能，达到延寿目的。
文献引用：柳建，郭煜，蔡志海，等. 轻质高熵合金在车辆装备中的应用前景[J].特种铸造及有色合金，2021,41（7）：849-852.
